The electrohydrodynamic (EHD) flow induced by the corona wind was observed in a model ESP of the simple geometry composed of the plates with a cavity. The model ESP has been named 'a wire - cavity plate ESP'. And the influence of the EHD flow and the turbulence condition of inlet cross-flow on the particle behavior inside the wire - cavity plate ESP and its collection efficiency was elucidated through experimental and numerical analysis.
The experimental studies were performed in a wire - cavity plate ESP. The gas velocities of the core flow and the circulating flow inside the cavity increased due to the corona wind for increasing corona voltage. The turbulence intensity increased near the cavity region with the corona voltage, caused by the additional irregular circulating flow due to the corona wind. As the corona voltage increased for the low bulk gas velocity, corona wind prevented the particle transport into the cavity, which was observed from the visualization results of particle trajectories. And the particle transport into the cavity by turbulent dispersion was observed as the bulk gas velocity increased. When the flow with high turbulence intensity entered the ESP, the turbulent dispersion enhanced the transport of particles into the cavity; hence the collection efficiency was higher compared with the case of the relatively lower inlet turbulence intensity below a critical corona voltage. But the collection efficiency was very slightly lower for the high inlet turbulence than for the low inlet turbulence above the critical corona voltage, because of the turbulent diffusion of particles from the collecting electrode to the centerline downstream from the corona wire.
Computational simulation was performed to compare the numerical predictions with the experimental results. The numerical computation showed the results correspondent with the experimental data. The laminar model was suitable for the weak EHD flow and the turbulent model for the strong EHD flow in spite of the condition of the low Reynolds number based on the bulk gas velocity and duct width. Because the RNG k-ε model is a high Reynolds number model, the turbulent model was sufficient to explain the flow field in the ESP for the high inlet gas velocity or strong EHD flow.
The effects of EHD flow and turbulent diffusion on the collection efficiency of a wire - cavity plate ESP have been studied through the computational analysis. As the ion space charge increased, the particulate collection efficiency increased because the electric field strength increased over the entire domain in the ESP except for the vicinity of corona wire. And the collection efficiency decreased and then increased, i.e. had a minimum value, as the EHD circulating flow became stronger when the electrical migration velocity of particle was low. On the other hand, the collection efficiency decreased with the stronger EHD flow when the electrical migration of particle was higher relatively. And the collection efficiency of a wire - cavity plate ESP increased as the turbulent diffusivity increased when the electrical migration velocity of particle was low. However, the collection efficiency decreased for increasing the turbulent diffusion when the electrical migration of particle was higher relatively.
본 연구에서는 하나의 캐비티를 가지는 집진판으로 구성된 단순한 형태의 모델 전기집진기내에서 코로나유동에 의한 정전유동의 변화를 관찰하였다. 그리고 정전유동과 주유동의 난류조건이 집진기내에서의 입자거동에 미치는 영향을 실험과 수치해석을 통하여 규명하였다.
먼저 모델 집진기에 대한 실험이 수행되었다. 코로나전압이 증가할수록 코로나유동으로 인하여 주유동영역에서의 주유동방향의 기체속도가 증가하였으며, 캐비티 내부에서의 회전유동속도 또한 증가하였다. 그리고 집진기내 난류강도도 코로나전압이 높을수록 불규칙적인 회전유동으로 인하여 증가하였다. 주유동속도가 낮고 코로나전압이 높은 경우 발생된 코로나유동은 캐비티 내로의 입자들의 유입을 방해하는 역할을 하였다. 그리고 주유동속도가 증가함에 따라 난류확산에 의한 캐비티 내로의 입자전달현상이 관찰되었다. 주유동의 평균속도가 일정하게 유지된 상태에서 높은 난류강도를 가지는 주유동이 집진기내로 유입될 경우 강한 난류로 인한 입자들의 난류 확산은 캐비티 내로의 입자의 유입을 원활하게 하였고, 그 결과 특정한 코로나전압 이하에서 상대적으로 낮은 난류강도를 가지는 주유동의 경우에 비하여 입자들의 집진효율이 증가하였다. 그러나 그 특정 코로나전압 이상에서는 격렬한 코로나유동에 의해 생성된 난류강도가 캐비티 근처에서는 주유동의 난류강도가 높고 낮은 두 경우 모두 큰 차이가 없기 때문에 주유동영역에서의 난류강도만이 입자의 난류확산에 영향을 미친다. 그렇기 때문에 특정한 코로나전압 이상에서는 주유동의 난류강도가 높을 경우 집진판에서 집진기 중앙선상으로의 입자들의 난류확산으로 인하여 집진효율이 주유동의 난류강도가 낮은 경우에 비하여 약간 감소하였다.
다음, 실험결과를 예측하기 위한 수치해석이 수행되었으며, 수치해석 결과는 실험결과와 잘 일치하였다. 주유동속도가 낮을 때 정전유동이 약한 경우는 층류모델이 적절하게 유동현상을 모사하였으나, 정전유동이 강한 경우는 난류모델이 적절하였다. 높은 속도를 가지는 주유동이나 강한 정전유동의 경우 집진기내의 기체 유동장 해석 시 RNG 난류모델은 만족스러운 결과를 보여주었다.
마지막으로, 실험결과를 잘 예측하는 수치모델을 이용하여 정전유동과 주유동의 난류조건이 집진효율에 미치는 영향을 지배무차원수에 관하여 연구하였다. 집진기내의 공간하전밀도가 높을수록 집진판 근처에서의 전기장세기가 증가하여 집진효율이 증가하였다. 정전유동의 강도가 증가함에 따라 낮은 전기이동속도를 가지는 입자들의 집진효율은 감소하다 증가하지만, 높은 전기이동속도를 가지는 입자들의 집진효율은 감소하였다. 그리고 난류확산계수가 증가할수록 낮은 전기이동속도를 가지는 입자들의 집진효율은 증가하지만, 높은 전기이동속도를 가지는 입자들의 집진효율은 감소하였다.
